CN210150712U

CN210150712U - Mems操纵装置

Info

Publication number: CN210150712U
Application number: CN201920186315.8U
Authority: CN
Inventors: D·朱斯蒂; L·滕托里
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: IT201800002364A1; EP3533569B1; US11123878B2; US20190240844A1; CN110127590A; EP3533569A1

Abstract

本公开的实施例涉及MEMS操纵装置。MEMS操纵装置具有承载相应的相互面对的夹持元件的第一操纵臂和第二操纵臂。至少第一操纵臂由驱动臂和通过铰接结构被铰链连接在一起的铰接臂形成。第一驱动臂包括第一梁元件和在第一梁元件上的第一压电区域。第一铰接结构包括在厚度方向上不可变形的第一连接元件以及被插入在第一驱动臂、第一铰接臂和第一连接元件之间的第一铰链结构。

Description

MEMS操纵装置

技术领域

本公开涉及一种在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电操纵装置。

背景技术

微操纵装置是已知的。它们可以在接触或者非接触模式下操作，并且基于各种物理原理，例如，是光学类型、静电类型、流体静力类型(基于伯努利定理)、超声类型和/或磁性类型。每种类型都具有在特定条件下实现其有利用途而在其它条件下无法实现其有利用途的特性。然而，关于按照简单的方式以高精度以及低成本来处理各种尺寸(dimension)的非常小型的物体(微米数量级)的能力，没有一种类型是完全令人满意的。例如，在微电子应用中，在材料科学、生物学和组织工程学(例如，在对分子、人体组织和生物部分的微操纵中)领域中，这是期望的。

另一方面，使产品(诸如，可以利用半导体技术获得的微机电系统(MEMS))小型化的趋势已经刺激了对用于微操纵和组装的技术的广泛研究。特别地，开发用于处理和组装微型物体的小型化系统已经成为未来精密工程的主要挑战。

因此，提出了基于静电致动原理使用MEMS技术的微操纵器。然而，即使是MEMS微操纵器也不能完全满足某些应用中所存在的要求。实际上，可以认为可以利用这些装置获得的静电力很弱。因此，为了获得足够的夹持力，向已知的微操纵器提供较高DC电压，大约100-200V，这是不容易实现的，并且在任何情况下都远高于在集成电路中通常使用的电压。

此外，所提出的MEMS微操纵器不易于用于操纵浸没在液体中的物体和/或颗粒。实际上，在这种类型的装置中，形成完全包围操纵器的臂的电绝缘层并不简单；因此，存在放电风险。为了减少该问题，通常将操纵器的臂设计为具有相当大的长度，以便允许控制相对于臂的夹持端部的移动的部分电绝缘。然而，除了增加装置的整体尺寸之外，该设计还降低了夹持精度，并且在任何情况下都不总是确保电绝缘。DE 195 23 229公开了未集成的微操纵器，其具有压电转换器，该压电转换器形成单晶(monomorph)致动器，其在电偏置时长度变化，并且逐头地胶合到半导体材料的夹持结构。DE 10107 07 402公开了DE 195 23 229的改进，其能够夹持圆形物体。 HP H8 90478和CN 104 7647 347公开了类似的微型夹持器(microgrip)，其需要部件的组装操作，并且不是以单片方式进行制造的。

于2016年12月29日提交的意大利专利申请号102016000132144 (与通过引用并入的欧洲专利申请号17177446.6和美国专利申请公开号2018/0190895相对应)描述了由梁元件和在该梁元件上延伸的压电区域形成的压电类型的微致动器，该梁元件由半导体材料制成。梁元件的一个端部被固定，而另一端部被连接至在梁的厚度的方向上不可变形的约束结构的铰链元件。如在该专利申请中详细解释的，由于约束结构在厚度方向上不可变形并且借助于铰链元件，因此，向压电区域施加电压导致梁元件实际上仅在其延伸平面中变形。

在上面的专利申请中描述的微致动器是非常有利的，因为可以通过使用传统的半导体微制造技术(因此，以降低的成本，按照高度可控并且可靠的方式)来制造该微致动器。

因此，期望向本文中所考虑的类型的微操纵器应用相似的操作原理。

本领域需要一种可以通过使用MEMS技术并且基于压电操作原理(即，因此，便宜、可靠、易于控制并且向本领域的技术人员提供相当大的设计自由度)来制造的微操纵器。

实用新型内容

为了解决上述问题，提供了一种MEMS操纵装置。

在第一方面，提供了一种MEMS操纵装置，其包括：基板；操纵结构，在基板上，并且操纵结构包括由结构层形成的本体、在结构层上的支撑层、以及在支撑层上的薄膜压电层，操纵结构包括：第一操纵臂；以及第一夹持元件，第一夹持元件由第一操纵臂承载；其中，第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，第一驱动臂和第一铰接臂均具有相应的第一端部和第二端部，第一驱动臂的第一端部被连接至基板，并且第一驱动臂的第二端部通过第一铰接结构被铰接至第一铰接臂的第一端部；其中，第一驱动臂包括第一梁元件和第一压电区域，第一梁元件由支撑层形成，第一压电区域由薄膜压电层形成，并且第一压电区域与第一梁元件相关联，第一梁元件具有在延伸平面中延伸的主延伸、以及在与延伸平面垂直的厚度平面中延伸的厚度，第一梁元件在厚度平面中的厚度小于主延伸在延伸平面中的延伸，第一驱动臂的第一端部和第二端部包括支撑层的部分和结构层的部分；以及其中，第一铰接结构包括第一连接元件和第一铰链结构，第一铰链结构被插入在第一驱动臂、第一铰接臂和第一连接元件之间。

根据一个实施例，第一连接元件和第一铰接臂由结构层形成，并且具有大于第一梁元件的厚度的厚度。

根据一个实施例，第一连接元件具有与第一梁元件相邻、并且被锚固至基板的壁。

根据一个实施例，第一铰链结构包括：第一铰链元件，第一铰链元件被布置在第一驱动臂的第二端部和第一铰接臂的第一端部之间；以及第二铰链元件，第二铰链元件被布置在第一铰接臂的第一端部和第一连接元件之间；其中，第一铰链元件和第二铰链元件具有在厚度平面中的比第一梁元件的厚度大的相应厚度、以及在延伸平面中的比第一驱动臂和第一铰接臂的宽度小的宽度。

根据一个实施例，第一铰接结构被布置在第一梁元件的第一侧上，第一铰接臂横向于第一驱动臂延伸，第一夹持元件被布置在第一梁元件的第二侧上，并且第一铰接臂的第一端部具有沿着第一梁元件的第一侧延伸、并且被联接至第一铰接结构的成角度的部分。

根据一个实施例，第一铰接结构面向第一驱动臂的第二端部的前表面，并且第一铰接臂横向于第一驱动臂延伸。

根据一个实施例，第一铰接结构被布置在第一梁元件的一侧上，并且第一铰接臂从第一驱动臂的第二端部、横向于第一驱动臂延伸。

根据一个实施例，MEMS操纵装置进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，第二夹持元件由第二操纵臂承载、并且面向第一夹持元件；其中，第二夹持元件被连接至基板、并且面向第一夹持元件。

根据一个实施例，MEMS操纵装置进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，第二夹持元件由第二操纵臂承载、并且面向第一夹持元件；其中，第二操纵臂包括第二驱动臂和第二铰接臂，第二驱动臂和第二铰接臂具有相应的第一端部和第二端部，第二驱动臂的第一端部被连接至基板，并且第二驱动臂的第二端部通过第二铰接结构被铰接至第二铰接臂的第一端部；其中，第二驱动臂包括第二梁元件和第二压电区域，第二压电区域与第二梁元件相关联；以及其中，第二铰接结构包括第二连接元件和第二铰链结构，第二铰链结构被插入在第二驱动臂、第二铰接臂和第二连接元件之间。

根据一个实施例，第一驱动臂和第二驱动臂被布置成彼此交叉，并且第一压电区域和第二压电区域被电耦合。

根据一个实施例，第一驱动臂和第二驱动臂被布置成彼此交叉，并且第一压电区域和第二压电区域被电绝缘。

根据一个实施例，第一铰接臂和第二铰接臂垂直于第一驱动臂和第二驱动臂。

根据一个实施例，第一铰接臂和第二铰接臂被成形为折线。

根据一个实施例，第一驱动臂和第二驱动臂具有第一公共端部，第一公共端部通过在厚度平面中延伸的单个支柱元件被连接至基板。

根据一个实施例，MEMS操纵装置进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，第二夹持元件由第二操纵臂承载、并且面向第一夹持元件；其中，第一驱动臂为T形，并且包括第一部分和第二部分，第一驱动臂的第一部分在第一驱动臂的第一端部处被连接至基板，并且第一驱动臂的第二部分横向于第一驱动臂的第一部分延伸、并且限定第一驱动臂的第二端部和第三端部；其中，第二操纵臂进一步包括第二铰接臂和第二铰接结构；其中，第二铰接臂具有第一端部和第二端部；其中，第二夹持元件由第二铰接臂的第二端部承载，并且面向第一夹持元件；以及其中，第二铰接结构包括第二连接元件和第二铰链结构，第二铰链结构被插入在第一驱动臂的第三端部、第二铰接臂的第一端部和第二连接元件之间。

根据一个实施例，第一铰接结构的第一连接元件在其厚度的平面中不可变形。

在第二方面，提供了一种MEMS操纵装置，包括：基板；第一操纵臂；以及第一夹持元件，第一夹持元件由第一操纵臂承载；其中，第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，第一驱动臂和第一铰接臂具有相应的第一端部和第二端部，第一驱动臂的第一端部被连接至基板，并且第一驱动臂的第二端部通过第一铰接结构被铰接至第一铰接臂的第一端部；以及其中，第一驱动臂包括第一梁元件和在第一梁元件上操作的第一压电区域，第一梁元件在延伸平面中具有主延伸，第一梁元件具有垂直于延伸平面的厚度，厚度小于主延伸。

根据一个实施例，第一铰接结构被布置在第一梁元件的第一侧上，并且第一铰接臂横向于第一驱动臂延伸。

根据一个实施例，第一夹持元件被布置在第一梁元件的第二侧上，并且第一铰接臂的第一端部具有沿着第一梁元件的第一侧延伸、并且被联接至第一铰接结构的成角度的部分。

根据一个实施例，装置进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，第二夹持元件由第二操纵臂承载；其中，第二夹持元件面向第一夹持元件。

根据一个实施例，第一操纵臂和第二操纵臂由单片层形成。

通过上述实施例，获得了一种在平面中可移动的、具有压电驱动的MEMS操纵装置，该MEMS操纵装置具有成本低、可靠性高、易于控制的优点，并且向本领域技术人员提供相当大的设计自由度。

附图说明

为了更好地进行理解，现在参照附图仅通过非限制性示例的方式描述优选实施例，其中：

图1是本操纵装置的一个实施例的透视俯视图；

图2是图1的操纵装置的透视仰视图；

图3是图1的操纵装置的细节的俯视平面图；

图4A和图4B分别是处于非应力位置和受应力位置的图1的操纵装置的部分被中断的俯视平面图；

图5是对图1的操纵装置的一部分中的应力的模拟；

图6A是沿图1的平面VI-VI截取的横截面；

图6B示出了图6A的变型；

图7和图8是本操纵装置的细节的变型的俯视平面图；以及

图9至图16是本操纵装置的不同实施例的俯视平面图。

具体实施方式

图1至图4示出了通过使用MEMS技术制造的操纵装置1的一个实施例。

详细地，参照图1，操纵装置1包括操纵结构50和基板28，操纵结构50是单片的，基板28承载操纵结构50。操纵结构50由第一操纵臂40和第二操纵臂41形成。操纵臂40包括第一驱动臂2和第一铰接臂4，操纵臂41包括第二驱动臂3和第二铰接臂5。第一铰接臂4和第二铰接臂5分别被弹性地联接至第一驱动臂2和第二驱动臂3，并且分别承载相应的夹持部分6、7。特别地，第一驱动臂2 具有第一端部2A和第二端部2B，第一端部2A被连接至基板28，第二端部2B被铰接至第一铰接臂4的第一端部4A。第二驱动臂3 具有第一端部3A和第二端部3B，第一端部3A被连接至基板28，第二端部3B被铰接至第二铰接臂5的第一端部5A。铰接臂4、5分别具有第二端部4B、5B，第二端部4B、5B被加宽并且形成相应的夹持部分6、7。

在静止时(在没有偏置的情况下)，夹持部分6、7以一定距离面向彼此。应该注意，在下面的描述中，几何指示(特别是关于方向、形状和相互位置的几何指示)是指没有应力而处于非变形状态的操纵装置1的结构，除非另有说明。

在图1和图2的操纵装置1中，驱动臂2、3被布置成以90°彼此交叉，铰接臂4、5被布置成垂直于相应的驱动臂2、3，并且驱动臂2、3的前半部分(靠近第二端部2B、3B)与铰接臂4、5形成悬置的四边形(具体地，正方形)。然而，如在下文中参照图9至图15 所讨论的，其它配置是可能的。

如下面描述的，铰接结构10被布置在驱动臂2的第二端部2B 与相应的铰接臂4的第一端部4A之间，铰接结构11被布置在驱动臂3的第二端部3B与相应的铰接臂5的第一端部5A之间，并且铰接结构10、11基本上使能铰接臂4、5绕着垂直于操纵装置的横卧平面的竖直轴旋转。如在下文中参照图6A和图6B解释的，驱动臂 2、驱动臂3、铰接臂4、铰接臂5、夹持部分6、夹持部分7、铰接结构10、铰接结构11以及基板28被形成在单个半导体本体中(即，它们是单片的)。

详细地，每个驱动臂2、3大体上由梁20形成(如同样在图6A、图6B中图示的)，该梁20相对于第一支柱23和第二支柱24被固定。

如上面提到的以及在图11至图13中图示的，每个驱动臂2、3 具有减小的厚度(在与笛卡尔参考系XYZ的轴Z平行的竖直方向上) 和与笛卡尔参考系XYZ的相应轴(对于第一驱动臂2为Y，并且对于第二驱动臂3为X)平行的主延伸(纵向方向)，即使驱动臂2、3 的纵向方向可以形成除了90°之外的角度或者不是直线的。

驱动臂2、3的第一端部2A、3A通过相应的第一支柱23被连接至基板28(还参见图6A和图6B)。第一支柱23在相应的驱动臂2、 3的横向方向上、在笛卡尔参考系XYZ的Z轴的平行方向上、在驱动臂2、3的相应的第一端部2A、3A与基板28之间延伸，并且相对于它们被固定。

每个第二支柱24从相应的驱动臂2、3的第二端部2B、3B在Z 轴的平行方向上延伸，不被连接至基板28，并且因此，相对于基板 28是可动的。此处，第二支柱24具有与第一支柱23相同的高度(在方向Z上)，并且基板28(例如，由单晶硅制成的)在第二支柱24、铰接臂4、5以及夹持部分6、7下方被移除。

例如，驱动臂2、3可以具有3至20μm的厚度(在方向Z上)、大约200至1000μm的长度(分别在方向Y上和在方向X上)以及 40至100μm的宽度(在垂直于长度和厚度的方向上)；支柱23和支柱24可以具有大约50至400μm的高度。

压电条带29在梁20之上延伸，并且例如，由PZT(Pb、Zr、 TiO₃)制成，并且具有例如0.2至4μm的厚度。压电条带29几乎覆盖梁20的整个顶表面，并且因此还是十字形的。压电条带29的臂具有略小于梁20的宽度和长度的延伸部分(宽度和长度)。

如在针对被插入在第一驱动臂2的第二端部2B和第一铰接臂4 的第一端部4A之间的第一铰接结构10的图3的放大细节中特别图示的，每个铰接结构10、11包括约束臂31和由第二铰链25、26形成的铰链结构32。因此，在下文中，将仅详细描述第一铰接结构10；第二铰接结构11按照相同的方式被制成，但是如在图1和图2中可以看到的，(在俯视平面图中)关于相对于笛卡尔系XYZ的X轴和 Y轴成45°的轴被镜面反射。

详细地，约束臂31在第一驱动臂2的不面向夹持部分6、7的一侧(在由驱动臂2、3以及铰接臂4、5形成的四边形的外部)上由平行于相应的驱动臂延伸(平行于第一驱动臂2的平面YZ)的垂直壁形成。约束臂31通过第二铰链26被连接至第一铰接臂4的成角度的伸展部(stretch)35；约束臂31还通过铰链25、26两者被连接至第一驱动臂2的第二端部2B。如在图2中图示的，约束臂31 具有比第一驱动臂2短得多的长度，并且在其长度(在Y方向上) 的一部分(例如，长度的大约一半)上被锚固至基板28，在图2中，用灰色表示约束臂31的锚固部分的底面积。约束臂31具有与支柱 23、24相同的高度。此外，在所图示的实施例中，约束臂31具有比梁20的宽度小的宽度，例如，为10至50μm。

在图1至图5中，约束臂31平行延伸，并且作为第一铰接臂4 的成角度的伸展部35的延长。然而，在上面所提及的平行于第一驱动臂2的约束臂31的布置不是必需的，并且约束臂31可以具有任何形状，诸如，不细长的形状。

此处，成角度的伸展部35从第一铰接臂4的第一端部4A垂直于第一铰接臂4延伸，并且经由第一铰链25被连接至第一驱动臂2 的第二端部2B。

铰链25、26由比第一驱动臂2具有更小的宽度的部分和约束臂 31的部分形成。详细地，第一铰链25在第一驱动臂2的第二端部 2B和成角度的伸展部35之间延伸，并且因此表示在此处垂直于第一驱动臂2、成角度的伸展部35和约束臂31延伸的连接部分。第二铰链26在成角度的伸展部35和约束臂31之间延伸，并且因此表示平行于成角度的伸展部35、约束臂31和第一驱动臂2延伸的连接部分。

例如，在铰链25、26的宽度最小的点处，铰链25、26可以具有2至50μm的宽度；然而，通常，该宽度取决于对约束结构10、 11的期望刚度。

铰链25、26两者都具有等于第二支柱24、约束臂31和成角度的伸展部35的高度(在方向Z上)，并且不被连接至基板28。

利用该结构，凭借约束臂31和铰链结构32的大厚度和小宽度，铰链25、26在垂直方向(轴Z的方向)上是大体刚性的，但是在梁 20的延伸平面XY中是柔性的，以允许铰接臂4、5与相应的夹持部分6、7绕着铰接结构10、11旋转。

特别地，并且如在前面提到的美国专利申请公开号2018/0190895 (通过引用并入)中详细解释的，如在图1至图3、图4A(以及利用虚线的图4B)中图示的，当由压电材料制成的条带29没有被偏置时，操纵装置1处于其静止配置。当由压电材料制成的条带29通过施加电压(例如，30至40V)被偏置时，条带29收缩，并且使驱动臂2、3的第二端部2B、3B以及铰接臂4、5大致绕着竖直轴并且在相反的方向上(针对第一驱动臂2，按照逆时针方向，以及并且针对第二驱动臂3，按照顺时针方向——图4B和图5)在平面XY中旋转。

实际上，驱动臂2、3的第一端部2A、2B通过第一支柱23被连接至基板28(并且因此，对于一级近似(first approximation)，不具有任何自由度)。相反，第二端部2B、3B通过约束臂31在方向Z 上被连接(并且因此，不能在该方向上自由偏转)，但是凭借铰链结构32的存在而可以在平面XY中移动，该铰链结构32提供(对于一级近似)在平面XY中的(角度)自由度。

在实践中，梁20的收缩产生力(如由图4B和图5中的箭头A 指示的)，该力将驱动臂2、3的第二端部2B、3B“拉”向相应的第一端部2A、3A，并且使第二端部2B、3B在相反的方向上旋转(如图4B中用虚线表示并且由箭头B指示的)。驱动臂2、3的第二端部 2B、3B的旋转引起铰接臂4、5的对应旋转，该铰接臂4、5还在平面XY中旋转，从而放大移动并且使夹持部分6、7更靠近彼此(图 4B，箭头C)。图5用灰色阴影示出了应力的分布。如可以注意到的，应力集中在铰链25、26的区中以及梁20被连接至第二支柱24的梁 20的区(由箭头F指示)中，因此，如上面说明的，区域经历变形。

然后，夹持部分6、7可以在静止时在它们之间的空间中夹持可能的物体、材料和结构，并且在随后的活动(例如，分析)期间使它们保持处于固定位置或者在操纵装置1与空间位移机构相关联或者包括空间位移机构时将它们移位到其它空间位置。

根据图6A和图6B，可以按照与在美国专利申请公开号 2018/0190895(通过引用并入)中描述的方式相似的方式来制造梁 20和压电条带29。

在这些附图中，操纵结构50在单片本体51中形成，单片本体 51包括结构层200、支撑层180和薄膜压电层191；在由支撑层180 的部分覆盖的情况下，铰接臂4、铰接臂5、夹持部分6、夹持部分 7和铰接结构10、铰接结构11由半导体层200的部分形成；梁20 由承载薄膜压电层191的支撑层180形成，并且除了端部(支柱23、 24处)之外，结构层200被去除。因此，在一级近似下，支柱23、支柱24、铰接臂4、铰接臂5、夹持部分6、夹持部分7和铰接结构10、铰接结构11具有相同的厚度(在Z方向上)。

详细地(图6A)，每个梁20由支撑层180形成，支撑层18由半导体材料(诸如外延生长的硅)制成，其通过底部绝缘层181被涂覆在底部上以及通过顶部绝缘层182被涂覆在顶部上，例如，底部绝缘层181和顶部绝缘层182都是由热生长的氧化硅制成的。堆叠体在顶部绝缘层182之上延伸，并且由下电极183(由导电材料(例如，钛(Ti)或者铂(Pt))制成)、薄膜压电层191、上电极184(例如，由TiW制成)、第一介电层185和第二介电层186(例如，由通过CVD(化学气相沉积)沉积的氧化硅和氮化硅制成)、接触线189 (由导电材料制成，例如，铝和/或铜)以及钝化层190(例如，由通过CVD沉积的氧化硅和/或氮化硅制成)形成。

每个梁20具有第一端部20A和第二端部20B，第一端部20A分别与驱动臂2、3的第一端部2A、3A对应，并且第二端部20B分别与驱动臂2、3的第二端部2B、3B对应并且，第一端部20A和第二端部20B相对于支柱23、24被固定。

在图6A的实施例中，第一支柱23和第二支柱24具有相同的高度，并且包括优选地由半导体材料(诸如硅)制成的结构层200的相应部分192，该相应部分192被底部绝缘层181、支撑层180和顶部绝缘层182的相应部分覆盖。

如对于本领域的技术人员而言应该是清楚的，第一支柱23可以具有较宽的面积，具有用于焊盘(接触焊盘)的部分(未图示)以及与电极183、184电连接所需的可能的其它结构。

在该实施例中，铰接臂4、5(其横截面是可见的)、铰接结构 10、11(仅约束臂31的用虚线图示的一部分)以及夹持部分6、7 (在图6A中不可见)由结构层200的部分192形成，该部分192还形成支柱23、24，该部分192可能被底部绝缘层181、支撑层180 和顶部绝缘层182的相应部分覆盖；因此，它们具有与支柱23、24 相同的厚度(在Z方向上)。基板28可以在单独的半导体本体中形成，例如，该半导体本体从与第二晶片分开起作用的第一晶片获得并且随后被接合，该第二晶片形成单片本体51，并且集成驱动臂2、驱动臂3、铰接臂4、铰接臂5、夹持部分6、夹持部分7和铰接结构10、铰接结构11。

例如，第二晶片可以是SOI(绝缘体上硅)类型，其中，中间的氧化层旨在形成图6B的底部绝缘层181，两个硅层中的一个硅层(例如，顶部的硅层)旨在形成图6A的支撑层180，并且另一硅层(在示例中，底部的硅层)旨在形成图6A的结构层200的部分192。例如，通过以下方式来处理第二晶片：在顶部硅层(支撑层180)上热生长顶部绝缘层182；沉积层并且将这些层图案化以形成压电条带 29和对应的偏置电连接结构以及介电层(形成图6B的区域183、184、 185、186、190和191)；研磨(lap)第二晶片的背面，直到达到支柱23、24的所期望的厚度，铰链结构32、铰接臂4、铰接臂5和夹持部分6、夹持部分7位于底部硅层(结构层200)中；从背面遮罩并且刻蚀底部硅层以从下面限定梁20的结构，直到到达图6A的底部绝缘层181(在实践中，形成在平面图中具有梁20的形状的开口)。

同时、之前或者之后，使第一晶片起作用以选择性地去除硅。然后，将第一晶片和第二晶片接合在一起。

根据在图6B中图示的不同实施例，第一支柱23包括被接合在一起的第一硅部分192'和第二硅部分193，并且第二支柱24由单个硅部分192”形成，该单个硅部分192”与第一支柱23的第一硅部分 192'同时地形成并且具有与结构层200的第一支柱23的第一硅部分192'相同的厚度。

例如，可以通过接合两个单独处理的晶片来获得图6B的结构。在这种情况下，例如，在基板28上生长牺牲层。选择性地去除牺牲层以限定要生长第一支柱23和约束臂31的贯通开口。在牺牲层上并且在开口中生长外延多晶硅层。通过研磨牺牲层来去除外延多晶硅层，并且外延多晶硅层保留在贯通开口中，从而形成第一支柱23 (和约束臂31)的第二部分193。

同时、之前或者之后，按照与上面描述的相同的方式来处理第二晶片以刻蚀梁20的背面并且形成压电条带29、相应的电连接结构以及结构层200的部分192'和192”的部。然后，接合两个晶片，使第一晶片的部分193与第二晶片的底部硅层中的对应部分192'和192”(尚未完全限定)对齐。接下来，图1至图5的几何结构通过刻蚀顶部硅层(支撑层180)直到底部绝缘层181来限定，并且底部绝缘层181以及然后第一晶片的牺牲氧化层被去除，以释放除了相对于基板28保持固定的约束臂31和第一支柱23之外的整个单片结构。

在接合两个晶片之前或者之后，经由部分锯切或者经由使用专用掩模的背面刻蚀来选择性地去除基板28。

在两种情况下，如所指示的，支撑层180形成驱动臂2、3两者，并且在其端部2A、2B、3A、3B上，支撑层180在结构层200的部分192、192'、192”上延伸；此外，压电条带29在支撑层180上形成为薄膜，支撑层180形成梁20。在示出的实施例中，支撑层180和绝缘层181、182还在铰接结构10、11上、在铰接臂4、5上以及在夹持部分6、7上延伸。

所描述的操纵装置1具有许多优点。借助于操纵装置1的夹持部分6、7的平面内移动，操纵装置1使得能够简单并且精确地操纵尺寸很小的物体和结构。特别地，操纵装置1使得能够精确地控制所施加的力和夹持部分6、7的位置。

可以通过使用实现结构的优异精度和重复性的MEMS制造技术来容易地并且以低成本制造所描述的操纵装置。

由于具有压电条带29的致动结构受到保护，因此，本操纵装置还可以在潮湿环境中使用或者被浸没在液体中，而不需要提供特别长的可动臂。这进一步提高了移动和夹持的精度。

图7示出了第一铰接结构10的一个实施例，其中，约束臂31 被布置在由驱动臂2、3和铰接臂4、5形成的四边形内(其中，仅第一臂2的一部分和第一铰接臂5的一部分是可见的)。在这种情况下，不存在成角度的伸展部，并且当压电条带29被偏置时，第一驱动臂2的端部2A根据箭头B转动，并且第一铰接臂4根据箭头D 转动，两者都按照逆时针方向(与图1至图5的方向相反)。第二铰接结构11(未示出)按照相似的方式进行构造并且关于相对于轴X 和Y成45°的轴被对称地布置。因此，这里，夹持部分6、7处于常闭位置并且被驱动以打开。在实践中，图7的操纵装置操作为分离器(divaricator)。

图8示出了铰接结构10、11的另一实施例。具体地，参照第一铰接结构10，在该实施例中，约束臂31与第一铰接臂4对齐并且垂直于第一驱动臂2；这里，也不存在成角度的伸展部。第一铰链25 从第二端部2B的前面、面向第一铰接臂4、相对于第一驱动臂2纵向布置，并且第二铰链26由被布置在约束臂31和第一铰接臂4之间并且与约束臂31和第一铰接臂4对齐的宽度减小的部分形成。在该实施例中，关于图1至图5的实施例，当压电条带29被偏置时，第一铰接臂4的第一端部4A根据箭头C按照逆时针方向转动。

图9示出了不同的操纵装置，其中，铰接结构10、11被不对称地布置。具体地，被联接至第一驱动臂2和第一铰接臂4的第一铰接结构10如在图1至图5中那样被形成，其中，约束结构10相对于第一驱动臂2被横向布置。被联接至第二驱动臂3和第二铰接臂5 的第二铰接结构11如针对图8(针对第一铰接结构10)描述的那样被形成，其中，约束结构11被联接至第一驱动臂3的前面。此处，虽然铰接结构10、11不对称，但是当操纵装置1被致动时，夹持部分6、7按照相反方向转动，从而朝着彼此移动。

图10示出了操纵装置的一个实施例，其中，驱动臂2、3被独立地致动。此处，每个驱动臂2、3被划分成彼此对齐的第一部102、 103和第二部202、203。详细地，第一部102、103在相应的第一端部2A、3A之间延伸，第一部102、103被连接至基板28(示意性地表示)和十字形的公共中心区80。两个第二部202、203在公共中心区80和相应的第二端部2B、3B之间延伸。单独的压电条带129在驱动臂2、3的第一部102、103和第二部202、203上延伸，并且可以被独立地被驱动。按照这种方式，可以驱动操纵臂40、41中的一个操纵臂和/或其一部分，从而调节夹持部分6、7的移动和/或由此施加的力。

图11示出了操纵装置的一个实施例，其中，铰接臂4、5不是直线的，而是具有折线的形状，优选地，关于相对于笛卡尔系XYZ 的X轴和Y轴以45°布置的轴被对称地布置。

此外，驱动臂2、3被布置为形成L并且具有第一公共端部150，该第一公共端部150通过一个第一支柱23(示意性地表示)被连接至基板28。作为所说明的内容的备选，驱动臂2、3可以不具有第一公共端部150，而是具有单独的第一端部2A、3A，该第一端部2A、 3A分别相对于相应的第一支柱23被固定。

同样在此处，驱动臂2、3可以被独立地致动，因为它们具有单独的压电条带129。

这允许铰接臂4、5的形状被适配于应用，例如，减小总体尺寸以避免铰接臂4、5的移动区中出现障碍，或者满足特定空间布置需求。

在图12中，如在图11中，第一驱动臂2和第二驱动臂3具有第一公共端部150，并且以小于90°的角度(例如，45°)延伸(静止)。同样在此处，铰接臂4、5不是直线的，而是分别由剪刀状的两个非对齐的伸展部形成，并且驱动臂2、3可以被独立地驱动。具体地，铰接臂4、5由第一部分250和第二部分260形成。铰接臂4、5的第一部分250分别经由铰链10、11被铰接至驱动臂2、3，并且基本上垂直于驱动臂。铰接臂4、5的第二部分260相对于第一部分 250被倾斜。此外，如表示的，驱动臂2、3可以具有第一公共端部 150或者相应的单独的第一端部2A、3A，该第一端部2A、3A按照未示出的方式通过相应的第一支柱23被连接至基板28。

在该实施例中，可以根据设想的应用根据设计参数来修改驱动臂2、3之间的角度和铰接臂4、5的形状，以优化铰接臂和夹持部分6、7的占用空间和移动。

除了铰接臂4、5的第二部分260基本上彼此平行地延伸并且以指向彼此的夹持器270结束之外，图13的操纵装置与图12的装置相似，用于保持非常小的物体和结构。

图14的操纵装置具有用于铰接臂4、5两者的单个驱动臂302。

详细地，在图14中，驱动臂302由处于T形布置的两个部分330、 340形成，其第一部分330被连接至基板28，而第二部分340被铰接至铰接臂2、3。

特别地，第一部分330为梁形，并且具有第一端部330A和第二端部330B。如在图6A中图示的，驱动臂302的第一部分330的第一端部330A通过第一支柱23被连接至基板28，而第二端部330B 相对于第二部分340的中心区被固定，因此，该第二端部330B横向于第一部分330延伸。压电条带29在驱动臂302的第一部分330上延伸。

驱动臂302的第二部分340具有与支柱23、24相同的厚度以是刚性的，并且具有被铰接至铰接臂4、5的两个端部340A、340B。驱动臂302的第二部分340的端部340A、340B基本上类似图1至图5的驱动臂2的第二端部2B一样被成形，因此相对于相应的第二支柱24(用虚线指示)被固定，并且分别通过铰链10和11被联接至铰接臂4、5。

如参照图4A、图4B描述的，当压电条带129被偏置和收缩时，驱动臂302的第一部分330的第二端部330B和第二部分340(第二端部330B和第二部分340被固定至彼此)由于铰接结构10、11而沿箭头A3的方向移动，并且引起第二端部340A、340B根据箭头B 的变形和旋转以及铰接臂4、5在平面XY中根据箭头C的旋转。

这在基于设计参数和期望来设计铰接臂4、5的形状时提供了相当大的自由度。

图15的操纵装置具有一个可动臂401，该可动臂401由驱动臂 402和铰接臂403形成，例如，与图1至图5所示第一驱动臂2和第一铰接臂4一样被成形，并且通过与铰接结构11相似的约束结构404 被联接。此外，图15的操纵装置具有固定的反臂(counter-arm)405。例如，反臂405可以包括第一部分406和第二部分407，该第一部分 406和第二部分407被形成为悬置梁并且相对于彼此以90°被布置，以与可动臂401形成近似四边形。此处，第一部分406经由支柱(未图示)相对于基板28被固定，该支柱与图6的第一支柱23相似并且被布置在反臂405的第一部分406的一个端部406A处；反臂405 的其余部分可以被完全悬置或者经由另外的支柱被连接至基板28。铰接臂403和可动臂401的第二部分407以与图1至图5表示的那些夹持端部相似的夹持端部6、7结束。

图16的操纵装置作为分离器来操作。实际上，铰接结构10和 11如在图7中示出的那样被形成。此处，驱动臂2、3具有单独的压电条带129，并且因此可以被独立地致动。

最后，清楚的是：可以对本文中所描述和图示的操纵装置进行修改和改变，而不脱离如所附权利要求书中限定的本公开的范围。例如，可以组合所描述的不同实施例以提供其它解决方案。

另外，若需要，例如，如在图15的实施例中，夹持元件6、7 可以被布置在铰接臂4、5的中间位置，或者若干夹持元件可以沿着铰接臂中的一个铰接臂被布置。

可以组合上面描述的各个实施例以提供进一步的实施例。根据上面详细描述的描述，可以对实施例进行这些以及其它改变。通常，在随附的权利要求书中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求书限制为在本说明书和权利要求书中所公开的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求书被赋予的等同方案的全部范围。因此，权利要求书不受本公开的限制。

Claims

1.一种MEMS操纵装置，其特征在于，包括：

基板；

操纵结构，在所述基板上，并且所述操纵结构包括由结构层形成的本体、在所述结构层上的支撑层、以及在所述支撑层上的薄膜压电层，所述操纵结构包括：

第一操纵臂；以及

第一夹持元件，所述第一夹持元件由所述第一操纵臂承载；

其中，所述第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，所述第一驱动臂和所述第一铰接臂均具有相应的第一端部和第二端部，所述第一驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第一驱动臂的所述第二端部通过第一铰接结构被铰接至所述第一铰接臂的所述第一端部；

其中，所述第一驱动臂包括第一梁元件和第一压电区域，所述第一梁元件由所述支撑层形成，所述第一压电区域由所述薄膜压电层形成，并且所述第一压电区域与所述第一梁元件相关联，所述第一梁元件具有在延伸平面中延伸的主延伸、以及在与所述延伸平面垂直的厚度平面中延伸的厚度，所述第一梁元件在所述厚度平面中的所述厚度小于所述主延伸在所述延伸平面中的延伸，所述第一驱动臂的所述第一端部和所述第二端部包括所述支撑层的部分和所述结构层的部分；以及

其中，所述第一铰接结构包括第一连接元件和第一铰链结构，所述第一铰链结构被插入在所述第一驱动臂、所述第一铰接臂和所述第一连接元件之间。

2.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一连接元件和所述第一铰接臂由所述结构层形成，并且具有大于所述第一梁元件的所述厚度的厚度。

3.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一连接元件具有与所述第一梁元件相邻、并且被锚固至所述基板的壁。

4.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰链结构包括：

第一铰链元件，所述第一铰链元件被布置在所述第一驱动臂的所述第二端部和所述第一铰接臂的所述第一端部之间；以及

第二铰链元件，所述第二铰链元件被布置在所述第一铰接臂的所述第一端部和所述第一连接元件之间；

其中，所述第一铰链元件和所述第二铰链元件具有在所述厚度平面中的比所述第一梁元件的所述厚度大的相应厚度、以及在所述延伸平面中的比所述第一驱动臂和所述第一铰接臂的宽度小的宽度。

5.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构被布置在所述第一梁元件的第一侧上，所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸，所述第一夹持元件被布置在所述第一梁元件的第二侧上，并且所述第一铰接臂的所述第一端部具有沿着所述第一梁元件的所述第一侧延伸、并且被联接至所述第一铰接结构的成角度的部分。

6.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构面向所述第一驱动臂的所述第二端部的前表面，并且所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸。

7.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构被布置在所述第一梁元件的一侧上，并且所述第一铰接臂从所述第一驱动臂的所述第二端部、横向于所述第一驱动臂延伸。

8.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，进一步包括：

第二操纵臂；以及

第二夹持元件，所述第二夹持元件由所述第二操纵臂承载、并且面向所述第一夹持元件；

其中，所述第二夹持元件被连接至所述基板、并且面向所述第一夹持元件。

9.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，进一步包括：

第二操纵臂；以及

其中，所述第二操纵臂包括第二驱动臂和第二铰接臂，所述第二驱动臂和所述第二铰接臂具有相应的第一端部和第二端部，所述第二驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第二驱动臂的所述第二端部通过第二铰接结构被铰接至所述第二铰接臂的所述第一端部；

其中，所述第二驱动臂包括第二梁元件和第二压电区域，所述第二压电区域与所述第二梁元件相关联；以及

其中，所述第二铰接结构包括第二连接元件和第二铰链结构，所述第二铰链结构被插入在所述第二驱动臂、所述第二铰接臂和所述第二连接元件之间。

10.根据权利要求9所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被布置成彼此交叉，并且所述第一压电区域和所述第二压电区域被电耦合。

11.根据权利要求9所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被布置成彼此交叉，并且所述第一压电区域和所述第二压电区域被电绝缘。

12.根据权利要求9所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接臂和所述第二铰接臂垂直于所述第一驱动臂和所述第二驱动臂。

13.根据权利要求9所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接臂和所述第二铰接臂被成形为折线。

14.根据权利要求9所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂具有第一公共端部，所述第一公共端部通过在所述厚度平面中延伸的单个支柱元件被连接至所述基板。

15.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，进一步包括：

第二操纵臂；以及

其中，所述第一驱动臂为T形，并且包括第一部分和第二部分，所述第一驱动臂的所述第一部分在所述第一驱动臂的所述第一端部处被连接至所述基板，并且所述第一驱动臂的所述第二部分横向于所述第一驱动臂的所述第一部分延伸、并且限定所述第一驱动臂的所述第二端部和第三端部；

其中，所述第二操纵臂进一步包括第二铰接臂和第二铰接结构；

其中，所述第二铰接臂具有第一端部和第二端部；

其中，所述第二夹持元件由所述第二铰接臂的所述第二端部承载，并且面向所述第一夹持元件；以及

其中，所述第二铰接结构包括第二连接元件和第二铰链结构，所述第二铰链结构被插入在所述第一驱动臂的所述第三端部、所述第二铰接臂的所述第一端部和所述第二连接元件之间。

16.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构的所述第一连接元件在其厚度的平面中不可变形。

17.一种MEMS操纵装置，其特征在于，包括：

基板；

第一操纵臂；以及

第一夹持元件，所述第一夹持元件由所述第一操纵臂承载；

其中，所述第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，所述第一驱动臂和所述第一铰接臂具有相应的第一端部和第二端部，所述第一驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第一驱动臂的所述第二端部通过第一铰接结构被铰接至所述第一铰接臂的所述第一端部；以及

其中，所述第一驱动臂包括第一梁元件和在所述第一梁元件上操作的第一压电区域，所述第一梁元件在延伸平面中具有主延伸，所述第一梁元件具有垂直于所述延伸平面的厚度，所述厚度小于所述主延伸。

18.根据权利要求17所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构被布置在所述第一梁元件的第一侧上，并且所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸。

19.根据权利要求18所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一夹持元件被布置在所述第一梁元件的第二侧上，并且所述第一铰接臂的所述第一端部具有沿着所述第一梁元件的所述第一侧延伸、并且被联接至所述第一铰接结构的成角度的部分。

20.根据权利要求17所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一铰接结构面向所述第一驱动臂的所述第二端部的前表面，并且所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸。

21.根据权利要求17所述的MEMS操纵装置，其特征在于，进一步包括：

第二操纵臂；以及

第二夹持元件，所述第二夹持元件由所述第二操纵臂承载；

其中，所述第二夹持元件面向所述第一夹持元件。

22.根据权利要求21所述的MEMS操纵装置，其特征在于，所述第一操纵臂和所述第二操纵臂由单片层形成。